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ABB電流傳感器的應用
、前言
伴隨著城市人口和建設規(guī)模的擴大，用電設備的增多，用電量越來越大，城市的供電設備經(jīng)常負荷運轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來越惡劣，對電源的“考驗”越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，每天，用電設備都要遭受120次左右的電源問題的侵擾，電子設備故障的6來自電源[7]。因此，電源問題的重要日益凸顯出來。原先作為配角，資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源遂發(fā)展成為門嶄新的。
而今，小小的電源設備已經(jīng)融合了越來越多的新。例如開關電源、硬開關、軟開關、參數(shù)穩(wěn)壓、線反饋穩(wěn)壓、磁放大器、數(shù)控調(diào)壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實際需求直接推動電源不斷發(fā)展和進步，為了自動和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時具有自動保護功能和的智能，具有傳感、傳感采樣、傳感保護的電源漸成趨勢，電流或電壓的傳感器便應運而生并在我國開始受到廣大電源設計者的青睞，本文主要介紹ABB公司的電流傳感器。
二、電流傳感器的工作原理[1]
ABB公司的電流傳感器可以測量類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應，如圖1所示。
當原邊導線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流IP會產(chǎn)生磁力線①，原邊磁力線集中在磁芯②周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電③可產(chǎn)生和原邊磁力線①成正比的大小幾毫伏的電壓，電子電路④可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流IS⑤，并存在以下關系式
其中，IS—副邊電流；
IP—原邊電流；
NP—原邊線圈匝數(shù)；
NS—副邊線圈匝數(shù)；
NP/NS—匝數(shù)比，般取NP=1。
電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS，它與輸入信號（原邊電流IP）成正比，IS般很小，只有100~400MA。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號。
三、電流傳感器主要特參數(shù)[1][2][3][4]
1、額定值IPN和額定輸出電流ISN
IPN指電流傳感器所能測試的額定值，用值表示（A.r.m.s），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號有關。
ISN指電流傳感器額定輸出電流，般為100~400MA，某些型號可能會有所不同。
2、傳感器供電電壓VA
VA指電流傳感器的供電電壓，它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi)。過此范圍，傳感器不能正常工作或降低，另外，傳感器的供電電壓VA又分為正供電電壓VA+和負供電電壓VA-。
3、測量范圍Ipmax
測量范圍指電流傳感器可測量的zui大電流值，測量范圍般于額定值IPN。測量范圍可用下式計算
要注意單相供電的傳感器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測量范圍要于雙相供電的傳感器。
4、過載
電流傳感器的過載能力參見圖2。發(fā)生電流過載時，在測量范圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續(xù)時間可能很短，而過載值有可能過傳感器的允許值，過載電流值傳感器般測量不出來，但不會對傳感器造成損壞。
5、
霍爾效應傳感器的取決于額定電流IPN。在+25℃時，傳感器測量受原邊電流影響的曲線如圖3所示，使用下面公式可計算出
其中，K=NS/NP。
計算時必須考慮偏移電流、線度、溫度漂移的影響。
（1）.偏移電流ISO
偏移電流也叫殘余電流或剩余電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳感器在生產(chǎn)時，在25℃，IP=0時的情況下，偏移電流已調(diào)至zui小，但傳感器在離開生產(chǎn)線時，都會產(chǎn)生大小的偏移電流。產(chǎn)品文檔中提到的已考慮了偏移電流增加的影響。
（2）.線度
參見圖4，線度決定了傳感器輸出信號（副邊電流IS）與輸入信號（原邊電流IP）在測量范圍內(nèi)成正比的程度，ABB公司的電流傳感器線度要優(yōu)于0.1%。
（3）.溫度漂移
偏移電流ISO是在25℃時計算出來的，當霍爾電周邊環(huán)境溫度變化時，ISO會產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流ISO的zui大變化是很重要的，這可以通過下式計算
其中，CV（CatalogueVALUE）是指電流傳感器能表中的溫度漂移值，例如：對CS2000BR型來說，CV為0.5×10-4/℃，zui大溫度Tmax為-40℃，額定輸出電流為400MA，則偏移電流的zui大變化。
四、傳感器型號、結(jié)構(gòu)和安裝方法
ABB公司的傳感器產(chǎn)品說明般由“傳感器產(chǎn)品型號”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成[5]。“傳感器產(chǎn)品型號”用于標明傳感器的型號、額定測量值、型或非型。“傳感器生產(chǎn)日期”則是由8位數(shù)字構(gòu)成，表明傳感器的生產(chǎn)年份、日期（年中的第幾日）及傳感器序列號。
ABB公司的傳感器產(chǎn)品很多，每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種的外形結(jié)構(gòu)及安裝接線方法。
1、MP25P1電流傳感器
MP25P1電流傳感器是ABB公司中種量程很小的傳感器，所能測量的額定電流為5、6、8、12、2，原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少，參見圖5。
2、ES300C電流傳感器
如MP25P1樣，般傳感器都有正（+）、負（-）、測量端（M）三個管腳，但ES300C則沒有此三個管腳，而是有紅、黑、綠三根引線，分別對應于正、負及測量端。同時在ES300C型傳感器中有內(nèi)孔，測量原邊電流時要將導線穿過該內(nèi)孔。
不管是MP25P1還是ES300C型等電流傳感器，安裝時管腳的接線應根據(jù)測量情況進行相應連線。
（1）在測量交流電時，必須強制使用雙供電電源。即傳感器的正（+）接供電電源“+VA”端，負接電源的“-VA”端，這種接法叫雙供電電源。同時測量端（M）通過電阻接電源“0V”端。
（2）在測量直流電流時，可使用單或單相供電電源，即將正或負與“0V”端短接，從而形成只有個電相接的情況，其接法共有四種（見圖6和圖7）。
在傳感器產(chǎn)品中，標有“-N”標志的表示該傳感器沒有電源意外倒置防護措施；標有“-P”標志的則表示該傳感器具有防護措施。圖6是無保護二管時的單供電電源安裝接線方法，圖7是加有保護措施的傳感器的接法。
（3）具有作用的傳感器的連接方法
ABB公司的部分電流傳感器具有電磁作用，其產(chǎn)品外殼上會多個“E”標志的端口，其連接方式有兩種：將端和負（-VA）或零線（0V）相連，如圖8所示。
另外，安裝時必須考慮產(chǎn)品的用途、型號、量程范圍、安裝環(huán)境等。比如傳感器應盡量安裝在利于散熱的場合；如果環(huán)境只適于垂直安裝，則必須選擇帶“V”字標志的傳感器（如CS300BRV）。
五、提測量的方法
除了安裝接線、即時標定校準、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過下述方法還可以提測量：
1、原邊導線應放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；
2、原邊導線盡可能放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙；
3、需要測量的電流應接近于傳感器的額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭有個額定值很的傳感器，而欲測量的電流值又低于額定值很多，為了提測量，可以把原邊導線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時，為提可將原邊導線在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈（般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等，從而可提）；
4、當欲測量的電流值為IPN/5的時，在25℃仍然可以有較的。
六、傳感器的
1、電磁場
閉環(huán)霍爾效應電流傳感器，利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干擾。
（1）傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；
（2）外部導線與傳感器的距離、外部導線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電的位置；
（3）安裝傳感器所使用的材料有無磁；
（4）所使用的電流傳感器是否；
為了盡量減小外部電磁場的干擾，按安裝指南安裝傳感器。
2、電磁兼容
電磁兼容EMC，（Electro-MagneticCompatibility）是研究電氣及電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同電磁環(huán)境中的上述設備都能正常工作而又互不干擾，達到“兼容”狀態(tài)的門學科[8]。空間電磁環(huán)境的惡化越來越使電子元器件之間因互不兼容而引發(fā)系統(tǒng)的誤動作，因此電工、電子設備電磁兼容有必要。由于實際生產(chǎn)、科研及市場推廣的迫切需要，采用已通過電磁兼容的電流和電壓傳感器已形成共識，并已成為個強制。ABB公司的電流傳感器自1996年1月1日起，均已通過了EMC。
七、傳感器標定
1、偏移電流ISO
偏移電流必須在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃的條件下進行校準，按圖9方法（雙供電）接線，且測量電壓VM必須：
VM≦RM×ISO（5）
2、
在IP=IPN（ACorDC）、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙供電、RM為實際測量電阻的條件下進行測量，其接線如圖10所示，并用公式（3）計算。
3、保護測試
ABB公司的傳感器在測量電路短路、測量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受到保護。對上述各項測試舉例如下：
（1）測量電路短路
此項測試必須在IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM為實際應用中的電阻條件下進行，連接圖如圖11所示，開關S應在分鐘之內(nèi)合上和打開。
（2）測量電路開路
此項測試條件為IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM是實際應用中的電阻。測試圖如圖12，開關S應在分鐘之內(nèi)完成閉合/打開切換動作。
（3）電源意外倒置測試
為防止電源意外倒置而使傳感器損壞，在電路中加裝了保護二管，此項測試可使用萬用表測試二管兩端，測試應在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測量電阻的條件下進行。可使用以下兩種方法測試：
*種：萬用表紅表筆端接傳感器“M”端，萬用表黑表筆端接傳感器“+”端；
第二種：萬用表紅表筆接傳感器負，萬用表黑表筆接傳感器M端；
在測試中，如萬用表鳴笛，說明二管已損壞。
八、傳感器應用計算[5]
根據(jù)圖13，電流傳感器的主要計算公式如下：
NPIP=NSIS；計算原邊或副邊電流
VM=RMI；計算測量電壓
VS=RSIS；計算副邊電壓
VA=e+VS+VM；計算供電電壓
其中，e是二管內(nèi)部和晶體管輸出的壓降，不同型號的傳感器有不同的e值。這里我們以ES300C為例，這種傳感器的匝數(shù)比NP/NS=1/2000、額定電流值IPN=300Arms、供電電壓VA的范圍為±12V~±20V（±5%）、副邊電阻RS=30Ω，在雙（±VA）供電，其傳感器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護二管的情況下，e=1V。在上述條件下：
（1）給定供電電壓VA，計算測量電壓VM和測量電阻RM：
假設：供電電壓VA=±15V
根據(jù)上述公式得：
測量電壓VM=9.5V；
測量電阻RM=VM/IS=63.33Ω；
副邊電流IS=0.1。
所以當我們選用63.33Ω的測量電阻時，在傳感器滿額度測量時，其輸出電流信號為0.1，測量電壓為9.5V。
（2）給定供電電壓和測量電阻，計算欲測量的峰值電流；
假設：供電電壓VA=±15V，測量電阻RM=12Ω，
則：VM+VS=（RM+RS）×IS=VA-e=14V
而：RM+RS=12W+30W=42W，
則zui大輸出副邊電流：A
原邊峰值電流：IPmax=ISmax（NS/NP）=666A
這說明，在上述條件下，傳感器所能測量的zui大電流即原邊峰值電流為666A。如果原邊電流大于此值，傳感器雖測量不出來，但傳感器不會被損壞。
（3）測量電阻（負載電阻）能影響傳感器的測量范圍。
測量電阻對傳感器測量范圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測量電阻。用下式可計算出測量電阻：
其中，VAmin—扣除誤差后的zui小供電電壓；
e—傳感器內(nèi)部晶體管的電壓降；
RS—傳感器副邊線圈的電阻；
ISmax—原邊電流IP為zui大值時的副邊電流值。
另外我們可以通過下式確認所選傳感器的穩(wěn)定。
如果VAmin不上式，則會造成傳感器的不穩(wěn)定。旦出現(xiàn)這種情況，我們可以有以下三種方法克服：
1）換電壓大的供電電源；
2）減小測量電阻的值；
3）將傳感器換成RS較小的傳感器。
例如，某種型號的電流傳感器，其額定電流IPN=1000A，匝數(shù)比NP/NS=1/2000，e值為1.5V，副邊電阻RS=30Ω，測量電阻RM=15W，用15V電源單供電。則VA=30V（單供電是雙供電的2倍），而：
IS=IP×NP/NS=0.
VS=RS×IS=15V
VM=RM×IS=7.5V
=24V<30V
通過以上檢驗，可知這種傳感器在此條件下測量能穩(wěn)定。它所能測量的原邊電流的zui大值（即測量范圍）
九、結(jié)束語
在城市用電設備增多，農(nóng)村供電設備老化欠修的情況下，城鄉(xiāng)各地經(jīng)常會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、電路短路、過流等現(xiàn)象，結(jié)果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源中使用傳感功能可以使電源設備加小型化、智能化和可靠。
電源發(fā)展到，已融合了電子、功率集成、自動、材料、傳感、計算機、電磁兼容、熱工等諸多領域的精華，我們有理由相信，在21世紀的電源中，傳感器也將發(fā)揮著至關重要的作用，所以對電流傳感器的應用和設計開發(fā)，傳感器工作者應該給予足夠重視。ABB公司的傳感器因其型號多，量程寬（電流5~6000A；電壓50~5000V）、、靈敏度、線度好、規(guī)范、易安裝、能力強、質(zhì)量可靠、平均*時間MTBF長等優(yōu)點，在各個領域特別是在機車牽引和工業(yè)應用領域中值得用戶信賴。
